JPH061280B2 - 流体の状態の測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、発熱体を内蔵しその温度及び／または流体の
温度を検出する検出素子を流体中に複数個配置して、各
検出素子の検出値の違いから流体の分布を測定するもの
であって、例えば流体の存在位置や、複数の流体の分布
状態や、流体間の界面位置やその状況などを具体的に検
出しようとする流体の状態の測定装置に関する。

（従来の技術） 従来慣用されている流体の分布計測方法としては電極を
用いた液面計測、浮遊体を用いた液面計測、空気圧制御
による液量計測などのほか、流体と反応物質を用いた反
応による流体の存在検出などが知られている。

特に流体が液体であって一つの槽内で分離しているもの
の、界面もしくは境界層を検出する方法は困難でガラス
管液面計による目測が一般的である。

また泡を発生する液体などでは液面との検出が難しく、
浮遊体を利用したり、液を別個に分岐した測定系に計測
装置を配置したりしているが、これは洗浄や細菌汚染防
止上好ましくない状況であり、減菌系の生産設備では汚
染防止に苦慮する。

流体の存在や液体の液面、界面、境界層などを計測する
流体の分布の計測においては、洗浄が容易であること
や、細菌汚染のないことが種々の生産設備における要求
事項である。

そこで本出願人が従来提案してきた流体の熱的計測方法
を利用することを考えた。

従来本願人は、特開昭62−27622号において、液面の計
測方法を提案し、この提案の中で熱的に液体と接触する
金属細線で接触されるセンサーが、その液体との接触範
囲によって温度変化を示し、該温度と変化と液面の変化
とを関連づけて液面を計測することが可能である方法に
ついて開示している。

また本出願人は流体の状態を計測する方法として、特開
昭62−185146号を提案し、流体と熱的に接触する素子に
よって流体の組成、物性、粘性などが検出できることを
明らにしてきた。この具体的検出装置としては特開昭64
−44838号で提案した金属細線で構成されるセンサー素
子が電気的に絶縁され、かつ熱的伝達性の良い状態で配
置される棒状のセンサーを提案している。

また該センサーは、発熱体素子自体で発熱体の温度を検
出可能としているものであるが、発熱体の温度を別個の
温度検出素子で計測するため、測温体を同時に内蔵する
センサーを特願平１−55648号で提案している。

また、面状のセンサーとしては特開昭63−215958号があ
げられる。

（発明が解決しようとする課題） 以上従来技術を利用して流体の分布を計測しようとする
場合、測定装置を槽の適当箇所に振り分けて、複数箇所
配置するか、別個の分岐された計測部分を設けなければ
ならず、計測機器の装置費用が膨大であるにもかかわら
ず分布の詳細を計測できないという問題が生じる。

これは複数の測定装置の配置が流体の分布の変動を検出
可能とする解決になるないからであり、分布の計測には
流体の変動があっても的確にその液面や界面、境界槽等
を検出可能とする必要がある。

本出願人が先に開発した特開昭62−185146号の液面の測
定方法では、金属細線で構成されるセンサーを縦に液体
内に配置し、その温度によって液面を検出するものであ
るが、センサー全体の温度を一つの温度として検出する
ため一定の組成の液体でしか利用できず、泡が生じるも
のや複数の液体が槽内で分離するものなどにおいて、液
面や各液体の界面、境界層を検出するのには利用不可能
である。

これはセンサーが泡や他の液体の熱伝達の影響を受けて
温度変化を示すためである。

したがって流体の分布を計測しようとするにあたって、
熱的接触を利用する技術を基本的に利用する場合、熱的
影響が互いに干渉しない状態に複数のセンサーを配置し
た構成にする必要がある。センサーが複数個配置するも
のは、設備費用が膨大であり、また洗浄が困難になる。
このため分岐される設計設備を設けてもよいが、やはり
洗浄や細菌汚染の問題が出る。

従って本発明は洗浄が簡単で、細菌汚染の原因となる設
備構成をしなくてもよく、かつ流体と熱的接触をして、
複数の流体が混在し分流する界面や境界層の計測、また
泡が生じる液体の泡と液面の計測、また流体の存在位置
を検出することなどを可能とする流体の分布の測定手段
を提供することを目的としている。

（課題を解決するための手段） そこで上記課題を解決する手段として、発熱体を内蔵し
その温度及び／または流体の温度を検出する検出素子を
支持体の壁面に対し、凹凸を生じないよう複数個配置
し、該面状検出素子の温度もしくは該面状検出素子の温
度と流体の温度との温度差を測定し、各検出素子の温度
もしくは温度差を比較して流体の分布を測定できる制御
装置に前記全面状検出素子を、結線して流体の状態の測
定装置を構成した。

（作用） 本発明は流体と熱的に接触する配熱体を内蔵する素子を
複数個配置したセンサーにかかるものであって、各素子
の発熱体の温度もしくは各素子の発熱体の温度とその素
子が接触している流体の温度の差を検出して、その比較
によって、流体の状態を計測するものである。

詳しくは、流体が発熱体を内蔵する素子と熱的に接触し
伝熱された場合、流体の組成や粘性、物性の変化などに
よって伝熱状態が変化し、発熱体の温度や発熱体の温度
と流体の温度の差などが変化することを利用するもので
あるとともに、各種流体において同じ発熱を実施した場
合に、流体によって異なる伝熱状態を示し発熱体の温度
差や発熱体の温度と流体の温度の差などが異ることを利
用するものである。

すなわち、流体が接触している素子と気体が接触してい
る素子の検出値が異なることを利用して、流体の液面を
検出することが可能であるとともに、複数の流体が分離
して存在するときには、複数の検出素子が接触する流体
によって異なる検出値を示すことにより、各検出素子の
位置における流体の分布を測定することができる。

つまり、各素子の発熱体の温度とその素子が接触してい
る液体の温度を基本的に検出して発熱体の温度もしくは
発熱体の温度と流体の温度の差を求め、これを比較して
その各素子が接触する流体の異種性を判別する位置であ
る。

また複数の流体が分離して存在するときには、複数の検
出素子が接触する流体によって異なる温度を示すことに
より、各検出素子の位置における流体の温度を知り、そ
の分布を測定することができる。

とくに検出素子が面状検出素子であるから流体との接触
面積によっても温度が異なり、流体が液体であるときに
は界面測定に細かな計測ができる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面をもとにして説明する。

先ず、棒状の検出素子を用いて検出素子の発熱体の温度
とその素子が接触している流体の温度を基本的に検出し
て発熱体の温度もしくは発熱体の温度と流体の温度の差
を求め、これを比較して各素子が接触する流体の異種性
を判別することから説明する。

第１図は、測定装置（１）を示すものである。（２）は
支持体であって、図示のものは円筒形状になっている。
支持体（２）の側面には検出素子（３）が多数突設され
ている。各検出素子（３）は互いに水平方向及び垂直方
向に対して離れるように放射状に配設されており、隣合
う検出素子（３）同士の距離をなるべく離して、互いに
熱の影響を及ぼさないようになっている。検出素子
（３）同士の熱の影響をなくすためには支持体（２）を
熱の不良導体で構成することが望ましいが、検出素子
（３）を支持体（２）に対して熱の不良導的に支持する
ようにしても良い。また、検出素子（３）を取り付けた
支持体（２）内に絶縁物を充填するようにしても良い。
その他、支持体（２）の上端は、周縁にネジ山を刻設し
た取付部（４）になっている。

第３図は検出素子（３）を取り付けていない支持体
（２）を示しており、（５）は検出素子（３）の取付口
である。この取付口（５）の内面にはネジ山が形成され
ている。支持体（２）の上下にはそれぞれ上蓋（７）と
下蓋（７）が螺着されていて、上蓋（６）には次に説明
する検出素子（３）のリード線を通すための孔（８）が
穿設されている。

次に、第４図は検出素子（３）を示すものであって、
（１０）は検出素子本体であり、その内部には発熱・測
温体（１１）が内蔵されている。検出素子本体（１０）
の基端部周縁はネジ部（１２）になっていて、このネジ
部（１２）を支持体（２）側面の取付口（５）に挿入し
てナット（１３）を回すことにより、検出素子（３）を
支持体（２）に取り付けられるようになっている。第５
図は発熱・測温体（１１）の断面図であり、（１５）は
発熱・測温体ケース、（１６）、（１７）は該発熱・測
温体ケース（１５）内に配設された発熱体と測温体であ
る。測温体（１７）は例えば熱電対や、測温抵抗体、温
度計などを離労することができるが、図示のものは発熱
体（１６）の電熱線で構成し、測温体（１７）を測温抵
抗体で構成している。ケース（１５）内には、熱の良導
体であって絶縁性質を有する絶縁体（１８）が充填され
ており、発熱体（１６）と測温体（１７）同士で漏電を
起こさないよいになっている。第４図に示すように、こ
れら発熱体（１６）、測温体（１７）にはリード線（１
９）が接続されていて、測定装置（１）の外部に設けら
れた図示しない制御装置等により、発熱体（１６）、及
び測温体（１７）に所定の電流が供給され、その電圧値
等から温度を測定できるようなっている。なお、各検出
素子の発熱体（１６）同士を直列に配線するように構成
すると、全部の発熱体（１６）の発熱を一斉に行うこと
ができ、都合がよい。以上のようなリード線（１９）
は、先に第３図で説明した孔（８）を通して支持体
（２）上方から引き出されるようになっている。しかし
て、第６図は以上のように構成された測定装置（１）を
流体槽（Ｔ）に装着して、流体槽（Ｔ）内の流体（ｆ）
の分布を測定する態様の一例を表しており、支持体
（２）に装着した各検出素子（３）によって各層(f1)
(f2) (f3)の界面や分離層の位置を知ることが可能であ
る。また、測定装置（１）は支持体（２）上端の取付部
（４）を利用して、流体層（Ｔ）の上面に螺合させるこ
とにより、簡単に装着することが出来る。

ここで、第７、第８図をもとにして分離面の位置と検出
素子（３）の温度との関係を説明すると以下のようにな
っている。

即ち、第８図は複数の検出素子(3A)〜(3F)を平面配列的
に考えて第７図のように配置して測定を行った場合に、
２つの液体の分離面がＩ・II・IIIのそれぞれの時、各
検出素子(3A)〜(3F)の温度がどのようになるかを表して
いる。

例えば、上になる流体の比熱が小さく、下になる流体の
比熱が大きいとき、分離面がＩならば一番上の検出素子
(3A)の温度だけが高く、その他の検出素子(3A)〜(3F)の
温度が低くなるため、検出素子(3A)と検出素子(3B)の間
に分離面が存在することが分かる。また、分離面がIIな
らば検出素子(3C)と検出素子(3D)に、分離面がIIIなら
ば検出素子(3D)と検出素子(3E)に温度差を生ずるため、
分離面の存在を知ることが出来る。従って、分離面が何
れの検出素子の間に存在するが分かれば、その検出素子
の位置から分離面の位置を知ることが出来る。

なお、各検出素子の温度は、当該検出素子がどの温度域
に存在するかを知るための比較判断の材料であって、温
度自体を正確に知る必要は、必ずしもない。また、この
ように、温度にもとづいて分離面の位置を知ることが出
来るのは、検出素子に内蔵されている発熱体（１６）か
ら発せられた熱の伝達状況が流体によっても異なるた
め、流体が異なれば検出素子の温度も異なるからであ
る。

以上は角素子の発熱体の温度とその素子が接触している
流体の温度を基本的に検出して発熱体の温度もしくは発
熱体の温度と流体の温度の差を求め、これを比較してそ
の各素子が接触する流体の異種性を判別できることを示
している。本発明にかかる流体の状態の測定装置におい
て特に面状の検出素子を用い、これを支持体の壁面に対
して凹凸が生じないように複数配置して面状検出素子の
温度もしくは面状検出素子の温度と流体の温度との温度
差を測定し、各検出素子の温度もしくは温度差を比較し
て流体の分布を測定する流体の状態の測定装置を提供す
ることを特徴とするものである。

第９図は本発明の他の実施例にかかる測定装置（１）を
示すものであり、検出素子（３）を面状のものに構成
し、それらを四角筒形状の支持体（２）のそれぞれの側
面に凹凸を生じないようにして、互い違いに配設したも
のを示している。支持体（２）の各側面には同一面上に
伝熱板（２０）が埋設されており、該伝熱板（２０）の
内側に発熱体（２１）と測温体（２２）が装着されてい
る。なお、図示のように発熱体（２１）と測温体（２
１）を重ねる構成にせず、両者を直接伝熱板（２０）に
取り付けた構造にすることもできる。

これら発熱体（２１）と測温体（２２）は、第１１図に
示すように絶縁材（２３）で被覆されていて、両者間で
漏電しないような構成になっている。また、発熱体（２
１）と測温体（２２）にはリード線（２４）が接続され
ており、測定装置（１）の外部に設けられた図示しない
制御装置等により、これら発熱体（２１）、及び測温体
（２２）に所定の電流が供給され、その電圧値等から温
度を測定できるようになっている。

支持体（２）は円筒体でも角筒でも構わないが、多角筒
体にして各側面の検出素子を他の側面の検出素子と異な
る方向に向かせることによって、流体への伝熱方向を異
ならしめ、他の側面の検出素子に対する発熱の影響を最
小にすることが好ましい。

図示のように、この実施例の検出素子（３）は逆三角形
状になっているが、検出素子（３）の形状は第１２図の
ような三日月状としても良いし、その他、長方形、楕円
などの任意の形状を採り得るものである。但し、第９図
や第１２図のように上部が広い面積で、下部が小さい面
積のものとすることによって精度の高い検出精度を高め
ることが可能になる。

また、この実施例のように、支持体（２）の同じ高さ位
置において、隣合う側面にある検出素子（３）同士が重
なる面積を有するように配置することによって分離面の
正確な位置の検出が可能になる。

即ち、第１２図に示すような三日月形状の検出素子(3A)
〜(3F)を支持体（２）の各側面に、隣合う検出素子同士
が重なる面積を有するように配置した場合において、例
えば、上になる流体の比熱が小さく、下になる流体の比
熱が大きいとき、分離面がＩの位置にあるならば一番上
の検出素子(3A)の温度は高くなり、二番目の検出素子(3
B)の温度は検出素子(3A)の温度に近いがそれよりはやや
低い温度に低くなって、その他の検出素子(3D) (3E)
(3F)は完全に低い温度になる。また、分離面がIIの位置
にあるならば一番目と二番目の検出素子(3A) (3B)の温
度が高くなり、三番目の検出素子(3C)の温度はそれより
も低く、その他の検出素子(3D) (3E) (3F)は完全に低
い温度になる。また、分離面がIIIの位置にあるならば
一番目と三番目の検出素子(3A)〜(3C)の温度が高くな
り、四番目の検出素子(3D)の温度はそれよりもやや低
く、五番目の検出素子(3E)の温度はほぼ低く、最も下の
検出素子(3F)は完全に低い温度になる。以上のような各
検出素子(3A)〜(3F)の温度の関係を示すと第１３図のよ
うになり、各Ｉ・II・III線によって分離面の正確な位
置を知ることが出来る。

このような各検出素子の温度と分離面の位置との相関関
係は、同じ流体であれば同じ関係を示すものであるが、
被測定流体の組成や、物性、粘性等が変化する場合に
は、予め予備実験などを試行することによって相閑関係
を把握しておく必要があるが、何れにしても、各検出素
子で検出された温度勾配から、相関関係にもとづいて分
離面の正確な位置を知ることが可能である。なお、各検
出素子は互いに熱的に不良導体にしないと検出が不正確
になる恐れがある。

しかして、以上のような本発明装置において、支持体
（２）は図示のような筒体のもので構成する手段の他、
流体槽（Ｔ）の壁面を支持体として利用することもでき
る。また、筒体ではなく、平面体に検出素子（３）を配
置することもできる。但し、何れの手段を採るにして
も、検出精度を向上させるためには、各検出素子同士の
発熱効果が互いに影響しないようにする必要がある。

また、本発明の測定装置は流体の界面が複数生じている
ような場合であっても、それぞれの界面を計測すること
が可能であるし、液体槽における液面を検出することも
できるものである。その場合は、流体が第１の流体であ
り、上部空間の気体が第２の流体となる。更に、液体が
泡を生ずるものである場合であっても、液面と、泡と気
体の界面とをそれぞれ検出できる。また、例えば、スラ
リー等と液体とを分離させてその量を検出したいとき、
静止された系内に本発明の測定装置を配置して、スラリ
ーと液体との界面を検出してスラリーの量を算出するよ
うなこともできる。また、培養槽などは気密系であっ
て、かつ培地な泡を発生し易いが、本発明の測定装置を
培養槽内に配置することによって培地と泡を分けて検出
でき、無菌的な供給管理が可能になる。このように、本
発明はあらゆる分野における流体の分類や分布の状態を
検出できるものである。

（発明の効果） しかして、本発明にあって以下の効果を奏することが出
来る。

流体が複数種類分離して存在する系においてその界
面、境界層を検出することができ、ガラス管による目視
計測と比較すると自動的であり、他の制御機器への出力
信号を検出することができる。

複数の検出素子を配置する場合、費用が膨大である
とともに、配線や制御系が複雑になるが、本発明によれ
ば、これを安価で簡単なものとすることができ、汎用性
が高くなる。

洗浄が簡単であり、計測系を分岐する必要がないの
で、細菌汚染の問題も解消できる。

泡が存在する液体の液面なども的確に把握でき、液
体槽などにおける誤作動を防止できる。

従来の発熱体内蔵センサーを利用して、複数の流体
の存在分布を検出することは、流体が複数存在する場
合、他の流体の影響を受けて誤検出となるが、本センサ
ーでは各検出素子がそれぞれの位置の検出を行うため、
他からの影響をなくすことができる。

本発明は以上の他、とくに次のような効果を奏する。

すなわち、面状検出素子自体の温度が流体との接触面積
によっても異なり、棒状の検出素子より細かく流体分布
を計測できる。

流体が液体であるときなどは、とくにその界面測定に細
かな計測ができる。

又、本発明面状検出素子は検出素子の配置を連続的にし
て全体的な測定を実施することが可能であり、計測部分
の範囲を拡大し、かつ連続的にできる。

【図面の簡単な説明】

第１、２図は測定装置の正面面と底面図、第３図は支持
体の縦断面図、第４図は検出素子の断面図、第５図は発
熱・測温体の断面図、第６図は流体槽の断面図、第７図
は検出素子の配置位置の説明図、第８図は液体分離面と
各検出素子の温度の関係を表すグラフ図、第９、１０図
は本発明にかかる測定装置の正面図と底面図、第１１図
は発熱体（測温体）の斜視図、第１２図は検出素子の配
置位置の説明図、第１３図は液体分離面と各検出素子の
温度の関係を表すグラフ図である。 １……測定装置、２……支持体、３……検出素子、１０
……検出素子本体、１６、２１……発熱体、１７、２２
……測温体、

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】発熱体を内蔵しその温度及び／または流体
   の温度を検出する面状の検出素子を、支持体の壁面に対
   し、凹凸を生じないよう複数個配置し、該面状検出素子
   の温度もしくは該面状検出素子の温度と流体の温度との
   温度差を測定し、各検出素子の温度もしくは温度差を比
   較して流体の分布を測定できる制御装置に前記面状検出
   素子を結線してなる流体の状態の測定装置。